昆明物理所在HOT器件用旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)方面的研究進(jìn)展

隨著碲鎘汞（MCT）材料制備工藝的改進(jìn)和提升，芯片組件的暗電流得到一定程度的抑制，紅外探測器芯片組工作溫度上升成為發(fā)展趨勢。高工作溫度器件的發(fā)展推動著小型低溫斯特林制冷機(jī)向更小尺寸、更小重量、更低功耗、更低成本、更好性能的方向發(fā)展。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，昆明物理研究所研究團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“HOT器件用旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)研究進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者為趙文麗工程師，主要從事旋轉(zhuǎn)式斯特林低溫制冷機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)的研究工作；通訊作者為孫皓研究員級高級工程師，主要從事低溫斯特林制冷機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)的研究工作。

該文章介紹了HOT器件用斯特林制冷機(jī)的SWaP3設(shè)計(jì)理念，薄壁管短冷指、高效小尺寸控制器、綜合熱管理、可靠性預(yù)測等設(shè)計(jì)技術(shù)，總結(jié)了近年國內(nèi)外HOT器件用旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的研制進(jìn)展。

HOT器件用制冷機(jī)的設(shè)計(jì)理念

HOT器件用小型低溫斯特林制冷機(jī)的設(shè)計(jì)遵循SWaP3準(zhǔn)則，SWaP3是1999年由唐納德·里高等人提出的高性能、低成本的思想基礎(chǔ)上發(fā)展而來，即更小的尺寸、更小的重量、更低的功耗、更低的成本、更好的性能，主要的性能指標(biāo)包括制冷量、功耗和降溫時間。

用于HOT器件的微型旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)由于工作溫度升高，制冷機(jī)熱力學(xué)效率提升，對制冷量的需求相對降低。制冷機(jī)的制冷系數(shù)COP定義為制冷量Qc與凈輸入功Qe之比。制冷機(jī)的整體效率不僅取決于斯特林循環(huán)的效率，還取決于其他子系統(tǒng)，其效率由熱循環(huán)效率、機(jī)械效率、電機(jī)效率、控制器效率組成。

器件的工作溫度升高以后，斯特林循環(huán)的制冷系數(shù)和蓄冷器填料的比熱容會有所提升，故熱力學(xué)循環(huán)的效率會隨之提升；冷頭溫度升高，其漏熱損失會降低，沿杜瓦軸向的溫度梯度減小，軸向?qū)釗p失、穿梭損失等熱損失都會降低，制冷機(jī)的效率會整體提升。

HOT器件用制冷機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

在上述設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下，相比于常規(guī)液氮溫區(qū)制冷機(jī)，除了制冷量需求降低引起的壓縮副尺寸減小等變化以外，當(dāng)前HOT器件用斯特林制冷機(jī)技術(shù)的發(fā)展有以下幾個重要的方面。

薄壁管短冷指設(shè)計(jì)技術(shù)

HOT器件用制冷機(jī)通常匹配專門的冷指，通過對冷指材料、幾何形狀和制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，以減小冷指的尺寸、壁厚及冷端厚度，在保證冷指剛度的同時減少其漏熱。常規(guī)冷指與短冷指的主要差異包括：（1）冷指長度不同，HOT器件用制冷機(jī)通常匹配短冷指；（2）冷指壁厚不同，冷指漏熱主要來源是杜瓦瓶與外界環(huán)境的熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。與冷指進(jìn)行匹配的杜瓦瓶內(nèi)部抽真空，對流換熱導(dǎo)致的熱損失忽略不計(jì)，拋光冷指外表面可大量減少熱輻射，因此主要漏熱來源于熱傳導(dǎo)。傳導(dǎo)漏熱與杜瓦材料導(dǎo)熱系數(shù)和材料厚度有關(guān)。

傳熱速率Q是厚度t的線性函數(shù)，因此減小厚度會降低整個冷指管的傳導(dǎo)散熱。如圖1所示為RICOR公司不同材料及壁厚的冷指在95 K工作溫度時的漏熱大小，可見管壁厚度增加會導(dǎo)致漏熱增加。圖2為RICOR公司HOT器件用冷指漏熱隨壁厚變化及RICOR公司冷指壁厚的設(shè)計(jì)范圍。對于冷指的設(shè)計(jì)，在尺寸要求占主導(dǎo)地位的應(yīng)用中，可縮短冷指及對蓄冷器進(jìn)行優(yōu)化，在功耗要求占主導(dǎo)地位的應(yīng)用中，冷指壁厚可從80~100 μm的范圍減小到50~60 μm。

圖1 不同材料的冷指管從300 K到95 K的熱負(fù)載大小

圖2 不同材料的冷指管從300 K到150 K的熱負(fù)載大小

高效小尺寸控制器技術(shù)

與常規(guī)控制器相比，HOT器件用小型緊湊制冷機(jī)匹配的高效輕質(zhì)控制器，應(yīng)具有更小的尺寸重量，更高的控溫精度以及更高的效率。HOT器件制冷機(jī)配置的控制器，在以下幾個方面取得了一定進(jìn)展：（1）控制器采用雙PCB構(gòu)，以減小外部尺寸；（2）采用數(shù)字化控制器，控制精度和效率都有所提升，同時減小了驅(qū)動控制電路的尺寸與重量。（3）以“電壓控制電路”原理控制電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的電機(jī)調(diào)控，能一定程度上改善PWM波調(diào)制對控制器效率的影響，提高控制器的效率。（4）比起常規(guī)制冷機(jī)控制器，驅(qū)動電壓范圍更寬泛。同時，用于HOT器件的制冷機(jī)配置的控制器還有以下提升方向：無傳感器調(diào)控方案或ADUC處理器控制無刷直流電機(jī)的有傳感器調(diào)控方案；用戶自主可調(diào)控溫點(diǎn)等。常規(guī)液氮溫區(qū)制冷機(jī)配置的控制器、RICOR在2019年報道的用于HOT器件的K580制冷機(jī)所用控制器及HOT器件用制冷機(jī)控制器設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示，可以看到RICOR控制器效率的提升和尺寸重量的減小。

表1 HOT器件用制冷機(jī)控制器主要特性

制冷機(jī)綜合熱管理技術(shù)

制冷機(jī)是集成度較高的機(jī)電產(chǎn)品，同時內(nèi)部含有壓縮機(jī)進(jìn)行熱力學(xué)循環(huán)，導(dǎo)致機(jī)體發(fā)熱較明顯。制冷機(jī)的表面溫度會直接影響其性能，系統(tǒng)的熱管理對于低溫制冷機(jī)的功耗和冷卻能力至關(guān)重要。優(yōu)化熱力學(xué)過程、改進(jìn)熱管理，是提高溫度環(huán)境適應(yīng)性的重要措施。制冷機(jī)的主要發(fā)熱源為壓縮機(jī)部件、電機(jī)部件、控制器部件。壓縮機(jī)部件發(fā)熱源于熱力學(xué)循環(huán)中壓縮過程產(chǎn)熱及冷指端換熱，電機(jī)部件發(fā)熱來源于繞阻焦耳熱，控制器部件發(fā)熱源于電子元器件發(fā)熱。不加散熱夾具時，散熱面主要集中在制冷機(jī)安裝基準(zhǔn)面（約占40%）、壓縮機(jī)缸蓋（約占30%）、電機(jī)表面（約占30%），一般要求機(jī)體表面溫度不高于環(huán)境溫度10 ℃。HOT器件用制冷機(jī)由于功耗更低，散熱要求更低一些，設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮散熱條件，全溫區(qū)內(nèi)機(jī)體表面溫度與環(huán)境溫度的溫差越小越有利于制冷機(jī)性能的釋放?？紤]到制冷機(jī)散熱設(shè)計(jì)中由于機(jī)體與環(huán)境溫差較小，同時整體內(nèi)部空間相對密閉，輻射散熱與對流散熱作用都較弱，設(shè)計(jì)過程應(yīng)充分強(qiáng)化制冷機(jī)幾個主要散熱面與光學(xué)平臺之間的熱傳導(dǎo)進(jìn)行散熱，條件允許時增加熱沉強(qiáng)化散熱。RICOR為滿足高環(huán)境溫度及機(jī)載戰(zhàn)斗機(jī)的嚴(yán)酷振動水平開發(fā)了K544旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機(jī)，并在制冷機(jī)層面強(qiáng)化了散熱設(shè)計(jì)，主要包含3個方面：（1）電機(jī)和壓縮機(jī)外殼之間要有足夠的熱耦合；（2）PCB內(nèi)部設(shè)計(jì)專門散熱路徑；（3）冷指法蘭和低溫制冷機(jī)安裝表面之間有足夠的熱耦合。該機(jī)型可在102 ℃環(huán)境溫度、95 K工作溫度下輸出1.3 W的制冷量，溫度環(huán)境適應(yīng)性提升顯著。

可靠性預(yù)測

旋轉(zhuǎn)式低溫制冷機(jī)主要故障機(jī)制是運(yùn)動部件的機(jī)械磨損，影響制冷機(jī)內(nèi)部機(jī)械部件磨損的一個重要因素制冷機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速直接影響活塞/氣缸部件的線速度和制冷機(jī)中不同軸承的轉(zhuǎn)速，從而直接影響這些部件的磨損。旋轉(zhuǎn)制冷機(jī)常規(guī)的壽命終止模式是磨損導(dǎo)致的軸承故障，消除或減緩磨損可以提高制冷機(jī)可靠性。常規(guī)旋轉(zhuǎn)制冷機(jī)活塞耐磨技術(shù)是依靠鍍層對活塞實(shí)施保護(hù)。DLC和TiN硬質(zhì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)致密，硬度高、摩擦系數(shù)低，可以較好地保護(hù)活塞，提高耐磨壽命。

關(guān)于制冷機(jī)可靠性的預(yù)測，RICOR報道過他們的一般預(yù)測方法，此后沒有太大變化。預(yù)測模型是一個乘法模型，在規(guī)定工作條件下給定制冷機(jī)的實(shí)際MTTF（θPR）是通過將來自壽命測試或現(xiàn)場數(shù)據(jù)的基線MTTF值（θb）乘以一系列轉(zhuǎn)換因子（π）得到的。

MTTFbase_RM為制冷機(jī)在典型條件（標(biāo)準(zhǔn)工作溫度為77 K，環(huán)境溫度為20℃）下的基線MTTF，MTTFA20 test Weibull是Thales在A20剖面測得的加速壽命試驗(yàn)的結(jié)果，RPMA20是Thales的制冷機(jī)在A20加速壽命測試中制冷機(jī)的轉(zhuǎn)速，RPM20℃是典型條件下制冷機(jī)的轉(zhuǎn)速。Thales的研究表明，HOT器件用制冷機(jī)工作溫度從110 K到150 K時，制冷機(jī)的負(fù)載整體降低，轉(zhuǎn)速會降低約30%。在110 K制冷溫度和+20℃環(huán)境溫度下，若制冷溫度升高導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低30%。制冷溫度的升高對制冷機(jī)的可靠性有重要影響。制冷機(jī)轉(zhuǎn)速降低30%時（相當(dāng)于制冷溫度從110 K到150 K），預(yù)計(jì)制冷機(jī)的MTTF可增加70%。

國內(nèi)外HOT器件用旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)

旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、啟動快等特點(diǎn)，但是整機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、振動噪音較大，尤其是運(yùn)動部件的相互磨損、制冷工質(zhì)的污染和泄漏使得制冷機(jī)的工作壽命受到一定的限制。傳統(tǒng)用于紅外探測器的旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)工作溫度在70~80 K，重量多在250~1000 g范圍。用于HOT器件的微型旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)主要設(shè)計(jì)改進(jìn)為：（1）使用更高效率和性能的控制器電機(jī)；（2）冷指材料、結(jié)構(gòu)改進(jìn)以減小冷指尺寸和熱損失；（3）降低充氣壓力。典型結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)為：（1）重量在200 g以下；（2）室溫下穩(wěn)態(tài)功耗低于2 W；（3）降溫時間在3 min以內(nèi)；（4）工作電壓在6~7 V；（5）控制器效率提高到90%以上；（6）MTTF＞15000 h。以色列RICOR、法國Thales等公司都在持續(xù)不斷地做微型旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的研制。

以色列RICOR公司2012年在SPIE報道的K562S型旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的改型，將冷指長度由原來的45 mm降低到22.5 mm，工作溫度在130~150 K，充氣壓力從20 Bar降至16 Bar，該制冷機(jī)在23℃環(huán)境溫度150 K工作溫度，熱負(fù)載為160 mW時穩(wěn)態(tài)功耗為1.9 W。如圖3、圖4為RICOR公司K562S short & K562S斯特林制冷機(jī)及其外型尺寸圖。K562S short制冷機(jī)的質(zhì)量能做到135 g。若對功耗要求較高，冷指壁厚還可從80~100 μm降到50~60 μm。RICOR另外的產(chǎn)品K563型旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)工作溫度從77 K升至130~150 K之后，充氣壓力從18 Bar降低至6~8 Bar，室溫下穩(wěn)態(tài)功耗在1.55~1.64 W。RICOR將常規(guī)77 K工作的常規(guī)旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)K561工作溫度從77 K升至150~200 K，充氣壓力從20 Bar降低至10 Bar，在23℃環(huán)境溫度@200 K控溫點(diǎn)，測得穩(wěn)態(tài)功耗低于1.2 W。在功耗、質(zhì)量等方面均有了較大的提升。

圖3 K562S short & K562S制冷機(jī)

圖4 K562S short & K562S制冷機(jī)外形圖

RICOR公司2015年報道的K562SI是為HOT探測器設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)整體式低溫制冷機(jī)，它基于K562作了如下改進(jìn)：（1）更高效率和性能的新型電機(jī)；（2）冷指更薄更短，以減小漏熱。改進(jìn)之后，熱負(fù)載為190 mW時，在140 K時的功耗低于2.5 W；降溫時間少于3 min 30 s；71℃環(huán)境溫度@150 K控溫點(diǎn)時的總制冷量為500 mW，重量低于185 g，如圖5、圖6所示。

圖5 K562SI制冷機(jī)外形圖

圖6 K562SI制冷機(jī)實(shí)物

RICOR公司開發(fā)的K580型旋轉(zhuǎn)集成式制冷機(jī)，如圖7所示。RICOR對其進(jìn)行了較多性能測試及壽命測試，在150 K控溫點(diǎn)、150 mW熱負(fù)載、23℃環(huán)境溫度下控溫功耗約1.5 W，150 J熱負(fù)載下降溫時間約3 min，在71℃環(huán)境溫度、150 K控溫點(diǎn)下的最大制冷量為600 mW。

圖7 K580制冷機(jī)外形圖

Thales公司針對HOT器件開發(fā)了RM1制冷機(jī)，如圖8所示，其性能測試結(jié)果顯示，在常溫下，工作溫度每上升20 K，制冷機(jī)的降溫時間加快約15%，穩(wěn)態(tài)輸入功耗約降低15%。武漢高德紅外公司基于RS046旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機(jī)開發(fā)的RS046H旋轉(zhuǎn)分置式斯特林制冷機(jī)，適配φ6.4 mm的冷指，可在－45℃~+85℃的環(huán)境溫度范圍下工作，比起其他公司的HOT器件用制冷機(jī)，環(huán)境適應(yīng)性有所提升，能在100 K控溫點(diǎn)@20℃環(huán)境溫度下輸出400 mW冷量。表2對比了幾種用于HOT器件的旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的主要參數(shù)。

圖8 RM1制冷機(jī)外形圖

表2 HOT器件用旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)

結(jié)論

本文主要闡述了HOT器件用旋轉(zhuǎn)斯特林制冷機(jī)的SWaP3設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)技術(shù)，總結(jié)了近年國內(nèi)外HOT器件用斯特林制冷機(jī)開發(fā)的進(jìn)展。HOT器件用小型低溫斯特林制冷機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循SWaP3準(zhǔn)則，以SWaP3準(zhǔn)則為指導(dǎo)發(fā)展薄壁管短冷指、高效小尺寸控制器、制冷機(jī)綜合熱管理、可靠性預(yù)測等設(shè)計(jì)技術(shù)。目前半導(dǎo)體理論體系基本上沒有太多的變化，其工作溫度需求的提升得益于材料器件制造工藝的提升。隨著器件制造工藝的不斷提升，在現(xiàn)有基礎(chǔ)理論下探測器工作溫度不斷提高已經(jīng)成為明確的發(fā)展方向，未來的制冷機(jī)市場也必將是HOT制冷機(jī)的市場。

論文信息：

http://hwjs.nvir.cn/cn/article/id/cd979469-9204-48ee-9c6c-2545d0792d39

審核編輯 ：李倩